LEDエピタキシャルウェーハ技術の原理とプロセス

LEDの動作原理から明らかなように、エピタキシャルウェーハ材料はLEDの主要コンポーネントです。実際、波長、輝度、順方向電圧などの主要な光電パラメータは、エピタキシャルウェーハ材料によって大きく決定されます。エピタキシャルウェーハ技術と装置は製造プロセスにおいて重要であり、III-V族およびII-VI族化合物と合金の薄膜単結晶を成長させる主要な方法として、有機金属気相成長法（MOCVD）が用いられています。以下に、LEDエピタキシャルウェーハ技術の将来の動向をいくつか示します。

1. 二段階成長プロセスの改善

現在、商業生産では二段階成長プロセスが採用されていますが、一度に搭載できる基板の数は限られています。6枚ウェーハ対応の装置は比較的成熟していますが、約20枚のウェーハを処理できる装置はまだ開発中です。ウェーハの数を増やすと、エピタキシャルウェーハの均一性が不足することがよくあります。今後の開発は、次の2つの方向に焦点を当てます。まず、より多くの基板を一度に反応チャンバーに搭載できるようにする技術を開発し、大規模生産とコスト削減に適したものにします。次に、高度に自動化され、再現性の高いシングルウェーハ装置です。

2. 水素化物気相エピタキシー（HVPE）技術

この技術は、低転位密度の厚膜の急速な成長を可能にし、他の方法を用いたホモエピタキシャル成長の基板として使用できます。さらに、基板から分離されたGaN膜は、バルク単結晶GaNチップの代替品になる可能性があります。しかし、HVPEには、膜厚の精密な制御が難しいことや、反応ガスの腐食性といった欠点があり、GaN材料の純度のさらなる向上を妨げています。

SiドープHVPE-GaN

(a) SiドープHVPE-GaN反応器の構造; (b) 800 μm厚のSiドープHVPE-GaNの画像;

(c) SiドープHVPE-GaNの直径に沿った自由キャリア濃度の分布

3. 選択エピタキシャル成長または横方向エピタキシャル成長技術

この技術は、転位密度をさらに低減し、GaNエピタキシャル層の結晶性を向上させることができます。このプロセスでは、まず適切な基板（サファイアまたは炭化ケイ素）上にGaN層を堆積し、次に多結晶SiOマスク層を堆積します。その後、フォトリソグラフィーとエッチング技術を使用して、GaNウィンドウとマスクストリップを作成します。その後の成長中、エピタキシャルGaNは最初にGaNウィンドウ上で成長し、次にSiOストリップ上に横方向に広がります。

ZMSHのGaN-on-Sapphireウェーハ

4. ペンデオエピタキシー技術

この方法は、基板とエピタキシャル層間の格子と熱のミスマッチによって引き起こされるエピタキシャル層の多数の格子欠陥を大幅に削減し、GaNエピタキシャル層の結晶性をさらに向上させます。このプロセスは、二段階プロセスを使用して、適切な基板（6H-SiCまたはSi）上にGaNエピタキシャル層を成長させることから始まります。次に、エピタキシャル膜を選択的にエッチングして基板を露出し、交互の柱状構造（GaN/バッファ層/基板）とトレンチを形成します。その後のGaNエピタキシャル成長は、トレンチの上部に中断され、元のGaNエピタキシャル層の側面からの横方向エピタキシャル成長を伴います。この方法ではマスクが不要であり、GaNとマスク材料の接触を回避できます。

ZMSHのGaN-on-Siliconウェーハ

5. 短波長UV LEDエピタキシャル材料の開発

これは、UV三色蛍光体ベースの白色LEDの開発のための強固な基盤を築きます。多くの効率的な蛍光体はUV光によって励起され、現在使用されているYAG:Ceシステムよりも高い発光効率を提供し、白色LED技術を進歩させます。

6. 多重量子井戸（MQW）チップ技術の開発

MQWチップでは、発光層の成長中に異なる不純物をドープして、構造が異なる量子井戸を作成します。これらの量子井戸から放出される光子の再結合は、直接白色光を生成します。この方法は、発光効率を向上させ、コストを削減し、パッケージングと回路制御を簡素化しますが、より大きな技術的課題を提示します。

7. 「光子リサイクル」技術の開発

1999年1月、日本の住友がZnSe材料を使用した白色LEDを開発しました。この技術は、ZnSe単結晶基板上にCdZnSe薄膜を成長させることを含みます。通電すると、この膜は青色光を放出し、ZnSe基板と相互作用して補色である黄色光を生成し、白色光が得られます。同様に、米国のボストン大学のフォトニクス研究センターは、青色GaN-LED上にAlInGaP半導体複合体を配置して白色光を生成しました。

8. LEDエピタキシャルウェーハプロセス

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LEDエピタキシャルウェーハ技術分野の専門サプライヤーとして、ZMSHは、MOCVDエピタキシャル成長、HVPE厚膜作製、選択エピタキシー、量子井戸構造設計を含む包括的な技術ソリューションを提供しています。サファイア/SiC基板、GaNエピタキシャルウェーハ、UV LED材料、およびサポートマスクなどの主要材料を供給しています。完全な加工および試験設備と成熟したプロセスシステムを備え、ZMSHは、材料選択と構造設計からカスタム加工まで、ワンストップサービスを提供し、照明ディスプレイ、UVアプリケーション、およびその他の関連分野における技術革新と製品アップグレードをクライアントが達成できるよう支援します。

ZMSHのGaN-on-SiCウェーハ